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薛岳命令第10军固守长沙城。
第10军军长李玉堂命令：周庆祥第3师守城东。方先觉预备第10师守城南，朱岳第190师守城北。开始日军在三个方向同时攻，一个上午毫无进展，中午稍事休整，将进攻重点放在长沙正面南城。李玉堂即到方先觉预备第10师督战。
1942年1月1日8时，日军第3师团于朗梨市南的磨盘洲附近全部渡过浏阳河，以第18联队和第68联队并列向长沙城东南郊区前进，11时许，向阿弥岭南北之线的预第10师阵地发起进攻。战至下午4时，阵地被日军突破，预第10师退守半边山、左家塘一带的既设阵地。下午6时左右，阵地再次被突破，守军第29团第1营伤亡惨重。日军继续进攻，守军顽强抵抗，被阻于军储库、邬家山阵地前。
1月1日晚，薛岳直接打电话向方先觉询问战况，问他能守多久。
方先觉说：“能守一星期。第一线守两天，第二线守三天，第三线守两天。”
深夜，方先觉将一封信交给副官主任张广宽：“你马上派人给我家眷送去，天亮前一定要送到。”张广宽估计是遗嘱，便冒昧拆阅，果然不错。内容为：
“蕴华吾妻：我军此次奉命固守长沙，任务重大，长沙得失，有关抗战全局成败。我身为军人，守土有责，设若战死，你和五子的生活，政府自有照顾。务望五子皆能大学毕业，好好做人，继我遗志，报效党国，则我含笑九泉矣！希吾妻勿悲。夫子珊。”
次日《长沙日报》头版大字标题：“方师长誓死守土，预立遗嘱。”读者莫不感泣涕淋，大鼓守城军民抗敌士气。
1月1日晚，日军第11军情报部门破译了薛岳令各集团军向长沙附近集结、准备围歼日军的电报。阿南惟畿大吃一惊，急令第3师团加紧进攻，企图在第九战区形成包围圈以前攻占长沙。第3师团当即将师团直属的第6联队第2大队，由第68联队左翼投入战斗。
日军增强力量后，于21时攻占军储库、邬家山附近阵地，第2大队大队长加藤素一率一部兵力乘势突入至白沙岭。22时，预第10师在岳麓山重炮兵支援下组织反冲击，收复了军储库、邬家山阵地，并包围了白沙岭日军第2大队。
从1日夜至2日凌晨，双方在长沙东门、南门外地区展开激烈争夺战，反复肉搏，阵地多次失而复得，第29团团长陈新善、团副曾友文等阵亡，但终于守住了阵地，击退了疯狂进攻的日军。在第28团英勇攻击下，被围在白沙岭的日军除一名士兵于2日凌晨2时逃走外，加藤素一及其副官桥本光义以下全部被歼。
薛岳从获得日军作战命令、阵中日记等重要文件中，得知日军弹粮不足补给困难，及进攻计划和布兵位置等重要情报，高兴地拍案说道：“几张薄纸，胜过万挺机枪！”
此时，处于外线的各集团军正从三面向长沙推进中。第九战区立即将此敌情通报各部队，并令各集团军按预定计划，快速向长沙日军合围。
1月2日，方先觉继续指挥部队在第二道防线与日军苦战。薛岳将战区直属炮兵团的大口径火炮全部交李玉堂指挥。李玉堂又将预10师阵地作为炮火支援重点。密集的炮弹爆炸后，守军阵地前日军陈尸累累。
在师团长丰岛严厉督促下，日军冒着炮火几次冲上守军阵地进行肉搏，双方伤亡惨重。上午11时，金盆岭阵地第29团2营阵地联络中断。身负重伤的侦察员爬到临近2营的一个阵地，向师部报告2营危急，带队的副团长陈新喜、团副曾友文阵亡，全营官兵大多数已阵亡，阵地已被日军攻占大半，剩下的官兵们还在死守，请师长速派援兵。
师长方先觉计算时间，派兵增援为时已晚。况且2营阵地易守难攻，倘若被敌攻占，援兵也难上去。他忍痛下令：“集中全师炮火，向2营阵地实施覆盖式轰击！”半小时后，预备队两个连赶到金盆岭，只见阵地上中日士兵死无完尸，碎尸一片无法区分。官兵们含泪搬开死者尸体，来不及埋葬和焚烧，暂时堆在一处，开始迎接下一轮战斗。
2日下午，日军第3师团继续组织进攻，将攻击重点由南门方向移向东门，集中炮火攻击，并令工兵第3联队逐次爆破守军的堡垒群，猛攻守军第3师一线阵地。守军顽强抗击，以手榴弹和刺刀进行肉搏，击退日军多次进攻。
守备南门外修械所高地的预备第10师葛先才团（第28团），战至仅剩58人，终于保住了阵地。第30团还以一部兵力秘密机动至南门外侧击日军第68联队，将其第7中队击歼大半，中队长丸山信一以下所有官兵全被歼灭。
经两天激战，日军第3师团伤亡惨重，后方交通被切断，补充困难，所携带弹药又将用完，已无力组织强有力的攻击，将全部兵力投入第一线也毫无进展，被迫改为守势作战。
这时中国第4军已由广东车运到达株洲，第19、第27、第30集团军也按计划正向长沙合围中。